二維磁性材料被譽(yù)為下一代小型、快速電子設備的基石。這些材料由只有幾個(gè)原子厚的晶體片層組成，它們從電子的固有羅盤(pán)針狀自旋中獲得了獨特的磁性。薄片的原子級厚度意味著(zhù)可以使用外部電場(chǎng)在最精細的尺度上操縱這些自旋，這可能會(huì )導致新的低能量數據存儲和信息處理系統。但是，確切地知道如何設計具有可以精確操縱的特定磁性的二維材料仍然是其應用的障礙。

現在，正如《科學(xué)進(jìn)展》雜志報道的那樣，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(伯克利實(shí)驗室)、加州大學(xué)伯克利分校、康奈爾大學(xué)和羅格斯大學(xué)的研究人員發(fā)現了分層二維材料，這些材料可以承載在室溫下保持穩定的獨特磁性特征，因此最終可能可用于未來(lái)的日常設備。材料的原子尺度圖像揭示了導致這些特征及其穩定性的精確化學(xué)和結構特征。

伯克利實(shí)驗室的研究人員在發(fā)現原子薄層體晶體中意想不到的磁特性方面有著(zhù)良好的記錄，其中許多是基于摻雜金屬原子的半導體材料。加州大學(xué)伯克利分校的研究生TylerReichanadter是該研究的合著(zhù)者，他計算了常見(jiàn)二維材料的電子結構如何通過(guò)交換不同的原子(在這種情況下將一些鐵換成鈷)而發(fā)生變化。這種特殊的交換導致晶體結構無(wú)法疊加在其鏡像上，并導致稱(chēng)為斯格明子的奇異的、類(lèi)似渦旋的自旋排列的可能性，正在探索作為未來(lái)低功耗計算的構建塊。

該研究的合著(zhù)者、加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員張宏瑞和伯克利實(shí)驗室和加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員陳翔利用晶體生長(cháng)設備探索了一些最有前景的二維材料，包括鈷摻雜的碲化鐵鍺。納米薄片形式的Fe5GeTe2)。Fe5GeTe2是一種典型的二維磁性材料，由于其獨特的層狀結構和晶體對稱(chēng)性，鐵原子占據晶體結構內的特定點(diǎn).他們發(fā)現，通過(guò)用鈷原子替換恰好一半的鐵原子——其電子配置略有不同意味著(zhù)原子在晶體中自然占據的點(diǎn)略有不同——它們可以自發(fā)地破壞材料的天然晶體對稱(chēng)性，從而改變其自旋結構。

“這并不容易。這些結構需要數天或數月才能合成，我們經(jīng)歷了數百個(gè)晶體，”陳說(shuō)，他是合成這種復雜材料的專(zhuān)家。

合著(zhù)者、伯克利實(shí)驗室博士后研究員SandhyaSusarla和康奈爾大學(xué)博士后研究員Yu-tsunShao在美國國家電子顯微鏡中心利用電子顯微鏡能力證實(shí)了復雜材料的原子級結構和電子結構。分子鑄造廠(chǎng)。

“這是純粹的發(fā)現科學(xué)，完全出乎意料，”伯克利實(shí)驗室材料科學(xué)部的高級科學(xué)家、該論文的高級通訊作者RamamoorthyRamesh說(shuō)。“該團隊試圖操縱電子結構，并發(fā)現通過(guò)打破對稱(chēng)性，材料可以承載斯格明子。”

張使用磁力顯微鏡對此類(lèi)晶體大面積上的斯格明子進(jìn)行成像。通過(guò)跟蹤斯格明子隨溫度和磁場(chǎng)的變化，研究人員確定了導致其穩定性的物理條件。此外，通過(guò)在材料上傳遞電流，研究人員發(fā)現它們可以導致斯格明子在材料內移動(dòng)，而與最初導致它們形成的原子無(wú)關(guān)。

最后，伯克利實(shí)驗室和加州大學(xué)圣克魯斯分校研究生研究員大衛拉夫特里進(jìn)行了微磁模擬，以解釋在這些材料中觀(guān)察到的電子模式。

由于層狀材料在室溫及以上溫度下可以制成各種厚度，研究人員認為它們的磁性可以得到增強和擴展。“我們對微電子學(xué)很感興趣，但關(guān)于材料物理的基本問(wèn)題確實(shí)激勵了我們，”張說(shuō)。

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